【導(dǎo)讀】MEMS慣性測(cè)量組合是制導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其失效將給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。針對(duì)某一MEMS慣性測(cè)量組合的失效現(xiàn)象，列出失效故障樹(shù)，準(zhǔn)確地定位了失效部位，最后分析了其失效原因。對(duì)分析過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述，以期對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)展失效分析工作提供借鑒作用。
0 引言
慣性導(dǎo)航技術(shù)不僅在軍事領(lǐng)域，并且在陸地、航空、航天以及航海等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。慣性器件是實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量載體的角速率、加速度，以及位置、速度和姿態(tài)等信息，并同時(shí)參與制導(dǎo)系統(tǒng)的控制回路和制導(dǎo)回路。傳統(tǒng)的慣性系統(tǒng)由于體積大、成本高，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代武器裝備小型化的需求。
微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）是20世紀(jì)末興起的前沿性土程科學(xué)，它是隨著半導(dǎo)體技術(shù)集成電路微細(xì)加工技術(shù)的迅速發(fā)展而崛起的一門(mén)多學(xué)科交叉的軍民兩用的高新技術(shù)。MEMS慣性器件是MEMS技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，也是研制微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的前提。MEMS慣性測(cè)量組合成本低、體積小、重力輕自主性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得其在航空、航天、軍事等眾多領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。由于MEMS慣性測(cè)量組合在系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用，導(dǎo)致其失效會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。本文結(jié)合某型號(hào)MEMS慣性測(cè)量組合失效的案例，對(duì)其進(jìn)行失效分析，詳細(xì)描述了失效分析過(guò)程。
1 失效情況簡(jiǎn)介
MEMS慣性傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械感應(yīng)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)電路兩大部分[4]此慣性測(cè)量組合由三個(gè)陀螺儀、三個(gè)線加速度計(jì)、數(shù)字電路、電源轉(zhuǎn)換電路、應(yīng)用軟件和結(jié)構(gòu)本體組成。其中陀螺儀用于敏感載體在三個(gè)正交軸上的角速度信息；線加速度計(jì)用于敏感載體在三個(gè)正交軸上的加速度信息；數(shù)字電路及其軟件用于對(duì)組件誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并將信息通過(guò)1路422通信接口回送給彈上計(jì)算機(jī)控制回路。同時(shí)，本產(chǎn)品具有自檢功能，能夠在發(fā)射前對(duì)其通訊狀態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行自檢。甲方在對(duì)進(jìn)行一體化計(jì)算機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)后進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品加速度參數(shù)輸出異常。產(chǎn)品外觀如圖1所示。
圖1 慣性測(cè)量組合外觀
2 故障樹(shù)建立及失效定位
2.1 故障樹(shù)建立
此慣性測(cè)量組合的工作原理為利用三個(gè)相互垂直軸向的陀螺和加速度計(jì)敏感角速度和加速度信息，在傳感器內(nèi)轉(zhuǎn)化成角速度和加速度的數(shù)字量，通過(guò)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行整合、補(bǔ)償，然后通過(guò)422串口發(fā)出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 慣性測(cè)量組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
組合采用兩層的結(jié)構(gòu)形式，陀螺和加速度計(jì)固定在PCB電路板上，電路板固定在底座的下層，實(shí)現(xiàn)角速率和線加速度的測(cè)量。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊單獨(dú)在一塊PCB板上，通過(guò)線纜與加速度計(jì)和陀螺連接，并被固定在底座的上層。其實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 慣性測(cè)量組合內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片
根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)進(jìn)行分析，參考GJB 768A-1998，列出失效故障樹(shù)如圖4所示。
2.2 失效定位
跟據(jù)上述故障樹(shù)，通過(guò)測(cè)試、分析、比對(duì)、排除等方式，進(jìn)行失效定位。
（1）測(cè)試環(huán)境影響
首先使用該電源對(duì)同批次其他輸出正常慣性測(cè)量組合進(jìn)行測(cè)試，未發(fā)生異常，然后使用另一電源對(duì)失效慣性測(cè)量組合進(jìn)行測(cè)試，故障現(xiàn)象保持一致，故可以排除電源異常的影響。
檢查試驗(yàn)設(shè)備有效期、接地，未發(fā)現(xiàn)異常，檢查振動(dòng)試驗(yàn)輸出圖譜，符合試驗(yàn)要求，不存在過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象，故可以排除振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備異常的影響。
（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)異常
通過(guò)兩種不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別對(duì)輸出異常的慣性測(cè)量組合進(jìn)行復(fù)測(cè)，故障現(xiàn)象均保持一致；用振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)輸出正常的慣性測(cè)量組合進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，輸出結(jié)果均符合要求。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障可以排除。
（3）軟件功能異常
1）軟件版本錯(cuò)誤
對(duì)輸出異常的慣性測(cè)量組合進(jìn)行了軟件版本的復(fù)查，確認(rèn)慣性測(cè)量組合使用的軟件版本不存在軟件版本錯(cuò)誤的問(wèn)題，可以排除此項(xiàng)目。為確認(rèn)軟件運(yùn)行是否有錯(cuò)，將此對(duì)故障的慣性測(cè)量組合進(jìn)行了軟件版本的修改，將陀螺和加表的原始輸出引出，發(fā)現(xiàn)加表的輸出存在異常現(xiàn)象。因此，可以排除軟件版本錯(cuò)誤的可能性。
圖4 慣性測(cè)量組合輸出異常故障樹(shù)
2）參數(shù)加載錯(cuò)誤
將失效慣性測(cè)量組合連接DSP仿真器，在線仿真，讀取故障慣性測(cè)量組合的參數(shù)，并與備份的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者一致，可以排除參數(shù)加載錯(cuò)誤的可能性。
3）軟件運(yùn)行錯(cuò)誤
將出現(xiàn)故障的慣性測(cè)量組合的數(shù)字處理單元與正常的加表連接，慣性測(cè)量組合輸出數(shù)據(jù)正常，因此，可以排除軟件運(yùn)行錯(cuò)誤。
（4）硬件電路異常
1）數(shù)字板異常定位
將慣性測(cè)量組合數(shù)字處理單元與故障加表連接，慣性測(cè)量組合輸出數(shù)據(jù)異常，電流異常，將數(shù)字處理單元與正常加表連接時(shí)，慣性測(cè)量組合輸出數(shù)據(jù)和電流均恢復(fù)正常。且在軟件功能異常的排查過(guò)程中，慣性測(cè)量組合的信號(hào)輸出正常，檢測(cè)陀螺的原始輸出也全部正常，因此可以排除數(shù)字處理單元和信號(hào)輸出單元的故障，但無(wú)法排除數(shù)字板與加表板之間接口的異常。
為進(jìn)一步確認(rèn)，將加表板與陀螺板互換位置后與數(shù)字板連接，發(fā)現(xiàn)陀螺的輸出信號(hào)仍然正常，而加表的輸出信號(hào)保持異常。因此可以排除數(shù)字板異常的可能性。
2）陀螺板異常定位
在上述排查過(guò)程中，陀螺的信號(hào)輸出始終保持正常，因此可以排除陀螺板異常的可能性。
3）加表板異常定位
在上述排查過(guò)程中，加速度計(jì)的信號(hào)輸出始終異常，因此無(wú)法排除加速度計(jì)板異常的可能性。由于加速度計(jì)板包括了加速度計(jì)和外圍元件兩部分，需要分別進(jìn)行故障分析和定位。
a.外圍元件異常定位
首先，對(duì)故障的加速度計(jì)板進(jìn)行目檢，未發(fā)現(xiàn)異常。在此基礎(chǔ)上，對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行了更換，發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)板輸出信號(hào)正常。因此故障原因可以初步定位到加速度計(jì)故障。
b.加表故障定位
為確認(rèn)加速度計(jì)是否存在故障，對(duì)出現(xiàn)故障的電路板對(duì)應(yīng)的加速度計(jì)進(jìn)行開(kāi)蓋解剖分析。圖5所示為異常加表開(kāi)蓋形貌。
圖5 異常加表開(kāi)蓋形貌
通過(guò)開(kāi)蓋分析，發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)存在鍵合點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)，該批加速度計(jì)芯片粘接工序采用了新的工藝，但未針對(duì)該工藝優(yōu)化鍵合程序，導(dǎo)致鍵合經(jīng)歷試驗(yàn)后出現(xiàn)鍵合點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象，造成加速度計(jì)失效。
3 結(jié)束語(yǔ)
既存在MEMS工藝，還存在采用表面貼裝工藝，這就導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，其失效分析工作也較為復(fù)雜，失效定位顯得尤為重要。本文結(jié)合一個(gè)MEMS慣性測(cè)量組合失效的案例，列出了慣性測(cè)量組合的故障樹(shù)，進(jìn)行了失效定位，分析了其失效原因。本文對(duì)其他MEMS器件的失效分析有一定的借鑒意義。
本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《電子質(zhì)量》2018年第12期，版權(quán)歸《電子質(zhì)量》編輯部所有。
柳華光，張魁，黃杰，國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
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